Análisis diferencial de metabolitos secundarios entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible y estudio de principios activos y mecanismos de acción para mejorar la resistencia a la insulina
La resistencia a la insulina (RI) se refiere en general a una disminución de la sensibilidad de las células diana de la insulina a concentraciones cuantitativas de insulina en concentraciones normales, lo que da lugar a una alteración de la promoción de la captación y utilización de la glucosa por la insulina, un aumento compensatorio de la secreción de insulina y una disminución de la sensibilidad a la insulina y una alteración de la utilización de la glucosa en tejidos como los músculos esqueléticos, el hígado y el tejido adiposo. Entre ellas, la IR es una de las patogénesis importantes de la diabetes tipo 2, que atraviesa todo el proceso de la diabetes tipo 2. En la actualidad, los principales fármacos utilizados para tratar la IR son los sensibilizadores a la insulina, pero tienen efectos secundarios como fracturas, edemas y lesiones hepáticas.

Polygonatum sibiricum Red. es una planta perteneciente a la familia de las Liliáceas y al género Polygonatum. Es uno de los tres tipos de Polygonatum incluidos en la edición de 2020 de la Farmacopea China. Se utiliza como medicina con tubérculos secos y es un producto medicinal y comestible común. Debido a su forma cilíndrica nodular y curvada que recuerda a una cabeza de pollo, se conoce comúnmente como Polygonatum sibiricum cabeza de pollo. Está ampliamente distribuido en Sichuan, Hunan, Jiangxi y otras regiones. Tiene un sabor dulce y suave, no es tóxico y tiene los efectos de nutrir el qi y el yin, fortalecer el bazo, humedecer los pulmones y beneficiar los riñones. Se utiliza para tratar la deficiencia de qi del bazo y el estómago, la fatiga y la debilidad, el calor interno y la sed. Contiene principalmente polisacáridos, saponinas, flavonoides, alcaloides, antraquinona y otros ingredientes. En la práctica clínica, el compuesto Huangjing se utiliza ampliamente en el tratamiento de la diabetes de tipo 2. Para la diabetes tipo 2 con deficiencia de qi y yin, puede aliviar los síndromes de MTC de los pacientes, reducir el azúcar y los lípidos en sangre y mejorar la función de los islotes pancreáticos. Según los informes de la literatura, el mecanismo por el cual el compuesto Huangjing mejora la función pancreática sugiere que sus ingredientes activos actúan sobre dianas como PI3K y STAT3, afectando además a la actividad de la proteína serina/treonina, las vías de señalización PI3K-AKT, y ejerciendo sus efectos; El mecanismo de la monoterapia con Huangjing en la mejora de la función de los islotes pancreáticos sugiere que los flavonoides actúan sobre la membrana postsináptica, alterando procesos biológicos como la sensibilidad celular a los fármacos, la actividad de los receptores de neurotransmisores y regulando vías de señalización como el ion calcio y la resistencia hormonal para mejorar la resistencia a la insulina.

En la actualidad, las técnicas HPLC, LC-MS/MS, UPLC-Q-TOF-MS y otras se utilizan habitualmente para la investigación cualitativa y cuantitativa de los componentes químicos de Polygonatum sibiricum. Se ha informado de que Polygonatum sibiricum contiene flavonoides, alcaloides y otros componentes químicos, pero en general es difícil reflejar todos los productos metabólicos contenidos en Polygonatum sibiricum debido al pequeño número de componentes detectados. En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología metabolómica, la tecnología metabolómica ampliamente dirigida basada en UPLC-ESI-MS/MS se ha utilizado ampliamente para el estudio de los metabolitos de la medicina tradicional china. En comparación con las técnicas cromatográficas comunes tradicionales, tiene las ventajas de alta sensibilidad, bajo coste y alto rendimiento. Debido a la falta de informes sobre el análisis diferencial de metabolitos secundarios entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible, este estudio se centra en Polygonatum sibiricum Red medicinal y Polygonatum alternatirrhosum Hand comestible. - Mzt. (comúnmente conocido como Polygonatum frutal) como objetos de investigación. Por primera vez, se utilizó la tecnología de metabolómica ampliamente dirigida UHPLC-ESI-MS/MS para detectar de forma exhaustiva sus metabolitos secundarios, y se utilizaron el análisis de componentes principales (PCA), el análisis de agrupación HCA y el análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales ortogonales (OPLS-DA) para el análisis comparativo de metabolitos con el fin de detectar metabolitos diferenciales; en segundo lugar, se llevó a cabo un análisis de farmacología de red sobre los diez compuestos principales con cambios relativos regulados al alza en los metabolitos entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible para mejorar la resistencia a la insulina. Se realizó el acoplamiento molecular de los principios activos y las dianas clave, y se seleccionaron células HepG2 para la validación del experimento celular. Por un lado, pretendemos comprender exhaustivamente los metabolitos diferenciales entre el Polygonatum sibiricum medicinal y el comestible, sentando las bases para su evaluación de calidad. Por otro lado, planeamos examinar los ingredientes activos potenciales para el tratamiento de la IR, proporcionando una base para dilucidar el mecanismo de acción de Polygonatum sibiricum en el tratamiento de la IR.

 

Este artículo analiza los metabolitos secundarios del Polygonatum sibiricum medicinal y comestible mediante metabolómica basada en la tecnología UHPLC-ESI-MS/MS. Se identificaron un total de 319 metabolitos secundarios, incluyendo 86 ácidos fenólicos, 96 flavonoides, 5 antraquinonas, 25 lignanos y cumarinas, 3 taninos, 51 alcaloides, 11 terpenos, 21 esteroides y 21 otros metabolitos. Hay una diferencia significativa en los metabolitos secundarios entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible, con PCA y HCA mostrando diferencias significativas. Un total de 106 metabolitos diferenciales fueron examinados en el grupo de comparación entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible, incluyendo 85 compuestos regulados al alza y 21 compuestos regulados a la baja. Polygonatum sibiricum medicinal tiene ventajas significativas en la cantidad y el contenido relativo de metabolitos secundarios. Para comparar los cambios en los metabolitos secundarios entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible, los metabolitos diferenciales fueron anotados por la base de datos KEGG. La clasificación KEGG y los resultados de enriquecimiento mostraron que el Polygonatum sibiricum medicinal fue significativamente enriquecido en las vías metabólicas de los flavonoides, flavonoles, isoflavonas y alcaloides, que pueden estar relacionados con la formación de la calidad del Polygonatum sibiricum medicinal. Según los informes de la literatura, las plantas producen una amplia variedad de metabolitos secundarios durante su proceso de crecimiento debido al estrés ambiental o la adversidad. Estos metabolitos suelen tener funciones biológicas específicas, como la resistencia a la sequía, la resistencia a las enfermedades y el control de plagas. Al mismo tiempo, la acumulación de estos metabolitos secundarios también es beneficiosa para mejorar la calidad medicinal de las partes de la planta. Por ejemplo, la acumulación de flavonoides es beneficiosa para mejorar los efectos antioxidantes, antiinflamatorios y antitumorales; la acumulación de alcaloides presenta altos efectos contra el cáncer de hígado e inhibición de la actividad de la alfa glucosidasa; las saponinas esteroideas tienen diversos componentes bioactivos, como efectos antiinflamatorios y antitumorales. Por lo tanto, el análisis en profundidad de estos flavonoides, alcaloides y compuestos esteroideos acumulados diferencialmente es beneficioso para el cribado de marcadores de calidad relacionados con la calidad del Polygonatum sibiricum medicinal.

En la actualidad, no hay límite de contenido para metabolitos secundarios como flavonoides y alcaloides en la sección Huangjing de la edición 2020 de la Farmacopea China. Este estudio comparó los diez compuestos principales en términos de cambios relativos de contenido de metabolitos entre Polygonatum sibiricum medicinal y comestible, y encontró que 50% de los metabolitos pertenecían a flavonoides, lo cual es consistente con la clasificación KEGG y los resultados de enriquecimiento de metabolitos diferenciales. Entre ellos, los metabolitos con alta actividad farmacológica, como isorhamnetin, tienen buena anti-tumor, anti hipoxia miocárdica, isquemia, aliviar la angina de pecho, anti arritmia, el tratamiento de la enfermedad coronaria y la hipertensión, la limpieza de los radicales libres de oxígeno, reducir el colesterol sérico, la protección del sistema cardiovascular, la promoción de la circulación sanguínea y otros efectos biológicos, y son ampliamente utilizados en la práctica clínica; Las saponinas del ñame fino también tienen ciertas actividades fisiológicas antitumorales, antibacterianas, antiparasitarias, hemolíticas, hipolipemiantes, antiosteoporosis, antimutación y otros aspectos. El aumento diferencial de resveratrol y dioscina sólo se observó en Polygonatum sibiricum Red, una especie derivada de Polygonatum sibiricum. Basándose en esto, el siguiente paso es utilizar Polygonatum sibiricum (fruto Polygonatum sibiricum) como control para explorar Polygonatum sibiricum de la farmacopea et Hemsl.、 Polygonatum cyrtonema Hua y las variedades medicinales locales de Polygonatum sibiricum (como el Polygonatum sibiricum ampliamente plantado en Nanchong, Sichuan, Xiushan, Chongqing, Xinhua, Hunan, etc.) se utilizaron como grupos experimentales para analizar los cambios en los metabolitos secundarios en cada grupo comparativo basado en la metabolómica dirigida extensiva. En combinación con la actividad biológica de categorías específicas de metabolitos, se examinaron los metabolitos relacionados con la calidad de la medicina tradicional china Polygonatum sibiricum, proporcionando una base para la evaluación de la calidad y el control de calidad de la auténtica Polygonatum sibiricum.

Con el fin de validar aún más la actividad de los compuestos diferencialmente regulados por la metabolómica, este estudio combinó la eficacia tradicional de Huangjing en el fortalecimiento del bazo y el tratamiento del calor interno y el síndrome de sed. Utilizando el IR como modelo de enfermedad, se llevó a cabo un análisis farmacológico en red. Los resultados del análisis de la vía KEGG mostraron que tres compuestos regulados diferencialmente, a saber, isorhamnetin, naringin e isonaringin, estaban implicados en la vía de señalización PI3K Akt, la vía de señalización mTOR, la vía de señalización VEGF y la vía de señalización de estrógeno El enriquecimiento de AMPK y otras vías de señalización es muy significativo. Mediante la revisión y el análisis de la bibliografía anterior, se puede constatar que la vía de señalización PI3K/AKT interviene en el ciclo celular, la apoptosis, la proliferación y el metabolismo de la glucosa, mientras que la insulina actúa principalmente en el músculo, el hígado y el tejido adiposo. Activa la vía de señalización PI3K/AKT al unirse a los receptores de insulina, regulando así los procesos del metabolismo de la glucosa y la grasa; La vía de señalización mTOR participa en la regulación del consumo de glucosa del músculo esquelético y la resistencia a la insulina. La activación de la vía puede aumentar la sensibilidad a la insulina, pero una activación excesiva puede inhibir la sensibilidad a la insulina; VEGFA, como importante proteína diana de la vía de señalización VEGF, mejora la resistencia a la insulina aumentando la sensibilidad a la insulina en grasa y músculo, controlando así la glucosa en sangre; La proteína quinasa activada por adenosina (AMPK) es una importante sustancia que regula el metabolismo energético en el organismo. Los estudios han demostrado que varios compuestos naturales pueden activar la AMPK, aumentar la sensibilidad a la insulina y son objetivos potenciales para mejorar la resistencia a la insulina. Además, el objetivo de Huangjing en la mejora de la IR también puede actuar sobre las vías relacionadas, tales como la vía de señalización de estrógeno, regular el eje adrenal pituitaria y otros tejidos y órganos, y directa o indirectamente mejorar la IR. Los resultados de las investigaciones anteriores concuerdan con los resultados comunicados del monómero isorhamnetina en el tratamiento de la diabetes. Además, se utilizó la tecnología de acoplamiento molecular para revelar el mecanismo de acción de Polygonatum sibiricum en la mejora de la RI. Los resultados mostraron que los objetivos clave de la vía de señalización PI3KAkt, la vía de señalización mTOR, la vía de señalización VEGF, la vía de señalización de estrógeno, la vía de señalización AMPK, etc tenían buenos efectos de acoplamiento con isorhamnetin, kaempferol glucósido, y isokaempferol glucósido, con energías de unión todos ≤ -20,9 kJ/mol. Por lo tanto, se especula que la unión de los ingredientes activos de Polygonatum sibiricum a objetivos clave puede ser la clave del efecto terapéutico de Polygonatum sibiricum en la IR. Otros experimentos celulares confirmaron que la isorhamnetina, un metabolito diferencial, puede mejorar eficazmente el estado de IR de las células HepG2, principalmente al afectar la expresión de PI3K, AKT1, VEGF y proteínas relacionadas con la vía de señalización mTOR. Los resultados mostraron que la isorhamnetina puede aumentar los niveles de expresión de las proteínas PI3K y AKT1 y disminuir los niveles de expresión de las proteínas VEGF y mTOR en las células IR HepG2.

En resumen, este artículo identificó de forma precisa y exhaustiva los metabolitos secundarios en Polygonatum sibiricum medicinal y comestible a través de una amplia tecnología de metabolómica dirigida. En comparación con Polygonatum sibiricum comestible, los compuestos regulados como isorhamnetin en Polygonatum sibiricum medicinal actúan sobre las vías de señalización PI3K, AKT1, VEGFA, y mTOR a través de objetivos básicos como PI3K, AKT1, VEGF, y mTOR para mejorar IR, lo que refleja plenamente las características farmacológicas de la medicina tradicional china con múltiples componentes, objetivos y vías. Los resultados de la investigación sientan las bases para el cribado y la evaluación de la calidad de los ingredientes activos en Polygonatum sibiricum, y proporcionan una base para dilucidar el mecanismo de acción de Polygonatum sibiricum en el tratamiento de la IR.